吾排隧道涌水量預(yù)測及突水防治分析

龐貽鴻

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

吾排隧道位于忻城縣果遂鄉(xiāng)古抗村吾排屯，系柳州經(jīng)合山至南寧高速公路控制性工程，已在該區(qū)域進行了1∶20萬區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查等工作，并已對隧道進行了初步勘察。由于隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，為查明其水文地質(zhì)條件，進行了水文地質(zhì)專項勘察。本文旨在結(jié)合隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件特征，通過分析水文地質(zhì)試驗數(shù)據(jù)，計算預(yù)測隧道涌水量，并對突水現(xiàn)象提出合理防治措施。

1 項目概況

吾排隧道左線起迄里程ZK72+040～ZK73+660，隧道長1 620 m；右線起迄里程YK72+060～YK73+660，隧道長1 600 m，設(shè)計路面高程250～280 m，為長大隧道[1]。

2 隧址區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

隧址區(qū)屬中亞熱帶向南亞熱帶過度的季風(fēng)氣候區(qū)。年平均降雨量1 330 mm，降雨主要集中在5～8月，占全年的80%左右。未見地表河流，僅見零星分布有若干水塘，水深一般<2 m。

隧址區(qū)為巖溶峰叢溝谷地貌，地形起伏較大，洼地較發(fā)育，地面高程為281.5～474.8 m。巖溶洞穴發(fā)育的方向性極強，其發(fā)育與地貌位置有關(guān)，在斜坡地帶、谷地兩側(cè)，溶洞數(shù)量相對較少，規(guī)模也較??；峰叢洼地中，溶洞分布相對較多，且規(guī)模較大，該地段存在巖溶強發(fā)育帶，隧道下部發(fā)育一條地下河，地下河流域的枯季徑流模數(shù)為9.3 L/s·km2。

根據(jù)工程地質(zhì)測繪、物探及鉆探揭露，隧址區(qū)出露地層主要為第四系殘坡積層，土層厚度較厚，下部為淺灰色含燧石灰?guī)r、硅質(zhì)白云巖等，地層巖性情況見表1。

隧址區(qū)主要發(fā)育三條斷層F1、F2、F3，詳見圖1。

F1斷層為正斷層，膠結(jié)良好，該斷層的導(dǎo)水性差；F2斷層為逆斷層，斷層破碎帶膠結(jié)差，是地下水滲流通道，順斷層有地下河支流發(fā)育(地下河標(biāo)高在隧道底板之下)；F3斷層為逆斷層，破碎帶膠結(jié)良好，該斷層的導(dǎo)水性差。因此地下水通過斷層導(dǎo)水形成突水的可能性不大，但在雨季大氣降雨形成的地表水可通過斷裂形成的巖溶裂隙發(fā)育帶下滲補給地下水，當(dāng)隧道穿過縫狀巖溶裂隙時，可能會形成股狀涌水，涌水量較大。

地下水主要為第四系松散巖類孔隙水及碳酸鹽巖裂隙溶洞水。第四系松散巖類孔隙水賦存于第四系土層孔隙中，含水量小，主要接受大氣降水和地表水的滲入補給，為飽氣帶中的上層滯水，水量貧乏；碳酸鹽巖裂隙溶洞水主要賦存運移于含燧石灰?guī)r溶蝕裂隙、溶洞以及地下河管道中，其發(fā)育主要集中分布于280～330 m、220～250 m及200 m以下三個標(biāo)高段，地下水的富集規(guī)律受巖溶發(fā)育所控制。由于第一、第二含水段巖溶較發(fā)育，地下水具有一定的賦存空間，其垂向下滲徑流過程中排泄不暢，因此在巖溶洞穴中出露的懸掛泉可形成常年性流水，但這兩個含水段不具統(tǒng)一地下水位，且空間分布不均，并受大氣降水控制明顯。位于下部的第三含水段(200 m以下段)，在地下水位以下，受上部含水段補給后，在匯水作用下形成管道流——地下河。詳見圖2。

圖1 隧址區(qū)地質(zhì)簡圖

圖2 隧道縱斷面地質(zhì)簡圖

在隧道處進行了試坑滲水、鉆孔注水、鉆孔壓水以及鉆孔抽水實驗，對巖土滲透系數(shù)進行驗算，據(jù)滲透性分析試驗結(jié)果并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗值，綜合確定隧址區(qū)內(nèi)各土巖層滲透系數(shù)，見表2。

3 地下水對隧道施工影響分析

擬建隧道位于第一含水段之下，第二、第三含水段以上，而第一含水段由于滲透水流較為分散，儲水時間短且賦存空間相對有限，不易形成大的集中水體。而飽氣帶溶蝕裂隙較發(fā)育，可能形成垂直縫狀溶蝕通道，是滲透水的主要導(dǎo)水地帶，但由于貫通性好，不會儲存大量雨水，施工過程中正常涌水量較小，遇到突水的可能性不大。但雨季大氣降雨地表徑流集中排泄于洼地，可能形成較大的淋水，尤其在推測地下河上方可能存在有一定寬度的縫狀溶洞，是雨水向深處地下河注水的通道，隧道在穿過這些縫狀垂直溶洞時，由于雨水注水量大，可能出現(xiàn)短暫性的突水現(xiàn)象，對施工有一定的威脅。

4 隧道涌水量預(yù)測

根據(jù)隧道地質(zhì)條件，采用入滲系數(shù)法、徑流模數(shù)法和地下水動力學(xué)法對隧道涌水量分別進行概略計算。

根據(jù)現(xiàn)場情況以及要求，本區(qū)補給帶寬度取800 m，隧道全長為1 620 m，則補給面積A=1.296 km2。

隧址區(qū)的大氣降雨入滲系數(shù)及徑流模數(shù)主要根據(jù)1∶200 000區(qū)域水文地質(zhì)普查的研究成果，并結(jié)合隧址區(qū)場地情況，對隧址區(qū)大氣降雨入滲系數(shù)進行分段分區(qū)，詳見表3。

枯季徑流模數(shù)為M枯=9.3 L/s·km2，雨季徑流模數(shù)取枯季徑流模數(shù)的7.5倍，即M雨=69.75 L/s·km2。

4.1 入滲系數(shù)法[2]

Qs=a×W×F/1 000

式中：Qs——隧道涌水量(m3/d)；

a——入滲系數(shù)；

A——隧道通過地段的集水面積(m2)；

W——降雨量(mm)，年平均降雨量為1 330 mm，雨季降雨量1 064 mm，雨季單日降雨量為8.86 mm，枯季單日降雨為1.11 mm。

根據(jù)上述公式計算得隧道各分段涌水量，見表3。

經(jīng)計算隧道入滲雨季總涌水量Q雨=5 103.36 m3/d，枯季總涌水量Q枯=639.36 m3/d。

4.2 地下水徑流模數(shù)法

Qs=M×A

式中：Qs——隧道涌水量(L/s)；

M——地下徑流模數(shù)(L/s·km2)，枯季M枯=9.3 L/s·km2，雨季M豐=69.75 L/s·km2；

A——隧道通過地段的集水面積(km2)，A=1.296 km2。

根據(jù)上述公式，枯季隧道涌水量Qs=12 L/s，合1 041 m3/d；雨季隧道涌水量Qs=90.40 L/s，合7 810 m3/d。

4.3 地下水動力學(xué)法：

擬建隧道洞身山體高300～380 m，隧道設(shè)計標(biāo)高250～280 m，飽氣帶平均厚度為80 m，大雨中暫時飽水后可概化成厚80 m的含水體，即H=80 m，滲透系數(shù)平均值K=4.74 m/d。依《水文地質(zhì)手冊》622頁8-8-182公式計算雙側(cè)進水水平積水廊道涌水量。

式中：Qs——隧道正常涌水量(m3/d)；

K——含水體的滲透系數(shù)(m/d)，K=

4.74 m/d；

H——洞底以上潛水含水體厚度(m)，H=80 m；

h——洞頂水柱高度(m)，h=75.0；

B——隧道通過含水體的長度(m)，B=1 620 m；

L——補給帶寬度的一半(m)，L=400 m。

根據(jù)上述公式，計算得隧道正常涌水量為14 877 m3/d；雨季涌水量按正常涌水量的2倍考慮，即29 754 m3/d。

根據(jù)上述章節(jié)計算成果，見表4。

對比以上三種方法，從對日涌水量計算來看，地下水動力學(xué)計算結(jié)果最大，其次為徑流模數(shù)法，最小為入滲系數(shù)法。分析認為入滲系數(shù)法更可靠，這是由于擬建吾排隧道位于飽氣帶中，其可借助溶隙、溶蝕管道同地表的消水洞與洼地進行相通，進而把大氣降水與地表水引入至地下，而入滲系數(shù)法能較為貼近實際模型，更能夠有效預(yù)測，且計算過程采用的降雨量為多年實測平均值，代表性、可靠性高，徑流模數(shù)法對日平均涌水量計算也可靠，而地下水動力學(xué)法理論嚴謹，將含水層概化為各向同性均質(zhì)含水層，與本區(qū)的實際水文地質(zhì)條件出入較大，因此對模型條件的概化，可能存在誤差。因此，本次隧道涌水量預(yù)測推薦采用入滲系數(shù)法的計算結(jié)果。

從計算結(jié)果看出，雨季時，隧道開挖時涌水量較大，巖體溶洞、溶蝕裂隙發(fā)育、巖體破碎地段相對富水，開挖后可能出現(xiàn)短暫性的突水現(xiàn)象；其他段地下水出水狀態(tài)以潮濕、點滴狀、線狀為主，局部為淋雨狀、股狀，一般不會出現(xiàn)大的涌水現(xiàn)象。

5 隧道施工中的突水工程防治措施

(1)加強超前地質(zhì)預(yù)報工作。由于隧道位于巖溶區(qū)，具有復(fù)雜性和不可預(yù)見性，隧道周邊存在的隱伏巖溶和局部儲水段直接影響著施工安全，因此，巖溶隧道施工中需開展超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報[3-4]。

(2)當(dāng)隧道穿越斷層破碎帶、充填型溶洞等富水巖溶地段時，應(yīng)采取注漿預(yù)加固、堵水等措施，以有效地改善隧道周邊既有巖體的物理力學(xué)指標(biāo)、降低地下水的滲透系數(shù)，確保隧道施工的安全。

(3)隧道防、排水。地下水發(fā)育的巖溶隧道，當(dāng)采取“以排為主、排堵結(jié)合”的原則可能造成地下水大量流失、環(huán)境遭到破壞時，應(yīng)采取“以堵為主、限量排放”的原則。

隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)有完備的防、排水系統(tǒng)，同時應(yīng)盡可能地維持原有的地下水系統(tǒng)。如遇破壞時，應(yīng)采取工程措施(導(dǎo)流洞等)予以修復(fù)，并確定合適的正常排水能力。

6 結(jié)語

(1)隧道涌水量主要受到大氣降雨量、巖土體入滲系數(shù)、斷層的導(dǎo)水性以及隧道集水面積的影響。雨季時，隧道開挖時涌水量較大，尤其是巖體溶洞、溶蝕裂隙發(fā)育、巖體破碎地段，雨季施工應(yīng)注意排水。

(2)本文用了3種方法計算了涌水量，入滲系數(shù)法能較為貼近實際模型，能夠有效預(yù)測，代表性、可靠性高，用其計算比較合理，符合實際。

(3)隧道施工過程中，處理突水事故時，一般遵循“以排為主、排堵結(jié)合”的原則，如可能造成環(huán)境破壞，應(yīng)采取“以堵為主、限量排放”的原則，最大限度地減小災(zāi)害的危害程度，達到經(jīng)濟合理的目的。